电力系统电容型设备在线监测的发展及趋势

电力系统电容型设备在线监测的发展及趋势

阿继龙 张博

青海送变电工程有限公司 810001

1. 电容型设备在线监测现状及意义

电力系统中的高压电力设备，若按照其绝缘结构来分类，则电容型绝缘结构的设备占了多数。这类设备都可看成是由多个电容元件相串联而成，因而从其绝缘性能、试验方法上都具有许多共性，这有利于分析其监测技术与诊断方法。除电力电容器之外，属于这类设备的还有电容式高压套管、电容式绝缘电流互感器、电容式电压互感器、耦合电容器等。

这类设备的特点是高压端对地有较大的等值电容。例如，110kV及以上电压等级的电容套管的电容值多数在500pF左右；220kV及以上电压等级的电容式电流互感器的电容约为100pF；500kV电容式电压互感器的电容量约为5000pF；110kV和220kV耦合电容器的电容量分别为6600pF和3300pF。可见，110kV及以上电压等级的电容型设备的高压端对地电容在500pF～5000pF范围内。

设备的维修体制先后经历了事后维修、预防维修和状态维修三种方式。高压电气设备的维修体制也是这样。世界各国在20世纪40～50年代主要采用事后维修﹙Breakdown Maintenance﹚。美国在20世纪40年代、日本在20世纪50年代曾经改用定期维修。20世纪50年代，美国通用电气公司等已经提出要从以时间为基准的维修方式发展到以状态为基准的维修方式，即状态维修﹙Condition-Based Maintenance﹚，日本等在20世纪70年代左右也转向采用状态维修。

状态维修的基础就在于绝缘在线监测及诊断技术，既要通过各种监测手段来正确诊断被试设备的目前状况，又要根据其本身特点及变化趋势等来确定能否继续运行成检修周期。为实现状态维修，在线监测的重要性也就更加突出了。

目前多数监测系统的功能还比较单一。例如仅对一种设备或多种设备的同类参数进行监测，一般仅限于招标报警，而且基本上是由试验人员来完成分析诊断。今后在线监测技术的发展趋势应是：

﹙1﹚多功能多参数的综合监测和诊断，即同时监测能反映某电气设备绝缘状态的多个性参数。

﹙2﹚对电站或变电站的整个电气设备实行集中监测和诊断，形成一套完整的分布式在线监测系统。

﹙3﹚不断提高监测系统的可靠性和灵敏性。

﹙4﹚在不断积累监测数据和诊断经验的基础上，发展人工智能技术，建立人工神经网路和专家系统，实现绝缘诊断的自动化。

二、在线监测的基本流程

在线监测的基本流程是：由各种传感器所采集的信号，经过必要的转换或处理后，统一送进数据处理系统进行分析，在相应的硬件和软件支撑下，综合分析判断后输出结果：可以屏幕显示或打印，也可存盘待用；有的如发现有异常，根据不同的设计可发警报或进行相应的操作；也可以与上一级检测中心相连，即形成多级的监控系统SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition).而在变电所及电业局里有微机对各设备的参数进行统一储存、管理、分析、诊断等。

不论监测系统是什么类型，它均应包括以下基本单元。

(1) 信号的变送

(2) 信号的处理

(3) 数据采集

(4) 信号的传输

(5) 数据处理

(6) 诊断

整个监测系统可归纳为以下3个子系统：

(1) 被监测设备和传感器，在设备现场；

(2) 信号预处理和数据采集子系统，一般在被监测设备附近，也在现场；

(3) 信号处理和诊断系统，实则一台微型计算机和监测系统专用软件，位置在距现场数十至数百米的主控室。

三、电容型设备在线监测系统结构

针对相对电容型设备在线监测原理，提出如图3-1所示的系统方案，根据功能的要求将系统分为三层：监测层、信息层和控制层。监测层由监测终端构成，主要完成现场信号的就地提取、调理、数字化并通过GPRS与信息层的服务器进行通讯；信息层由服务器构成，实现数据的接收、存储以及控制命令的转发；控制层的实体则是位于远程监控中心的客户端，通过监控主机上的专家软件可实现对现场监控终端的实时采集控制，完成信息层中的数据读取，最终依照相关诊断策略对设备的绝缘状况进行判断。其中监测终端可以有多个（3个以上)。监测终端采用有源零磁通穿芯电流传感器检测电容型设备的末屏电流，并通过GPRS无线网络、Internet与服务器互连，图3-1中双箭头表示有数据双向传输。监测终端通过无线的方式接收卫星传来的GPS时钟触发信号对多个容性设备的末屏电流进行异地同步采样。整个系统的工作流程如下：客户端发出采集指令，指令通过服务器、Internet网络、GPRS无线网络到达各个监测终端；各个终端接到采集指令后，获取GPS时钟信号作为统一时钟，同时刻采集电流信号，并将采集的数据存储。当各个终端一个工频周期的数据采集完毕后，将采集数据以及其它相关信息打包通过GPRS无线网、Internet网络，往服务器回送；服务器收到数据后通过互联网或企业局域网告知客户端进行分析、计算、诊断、故障预警，并将数据存入数据库作历史分析之用。

该系统结构上的特点主要体现在：

(1) 系统采用分层分布式结构，根据功能的需要划分了层次，保持了各层的相对独立性，改善了系统的可靠性和运行效率；

(2) 可根据现场安装条件选择采用GPRS无线通信技术进行数据传输与控制，避免传统数据传输方式带来的电缆施工，大大降低了施工的难度和系统安装成本；系统既可连续安装又可离散安装，扩展也较为灵活，能方便地挂接新的监测单元；

(3) 采用GPS同步授时技术对各监测终端进行高精度同步采样，提高了相对介损角的测量精度；

(4) 就地完成模拟信号的数字化及传输，有效地避免了传输衰减，提高了数据的可靠性；

(5) 采用C/S模式实现远程监控，使系统的分布相对集中并具有很强的实时处理能力，有利于系统的维护，具有较好的可扩展性以及灵活性。

图3-1 系统总体结构图

四、总结与展望

1 总结

为了更好的维护电力设备的安全运行，实现电容性设备的状态维修很有必要，电容型设备的在线监测与故障诊断技术是实现其状态维修的前提和基础。本文以目前变电站中数量众多的电容型设备为研究对象，就电容设备 的高精度测量，在线监测数据的处理方法及故障诊断方法进行更进一步的认识，设计一套电容性设备的在线监测系统。本文完成的主要工作简述如下：

(1) 分析了介质损耗角正切值 的测量原理和信号处理方法，介绍了介损你在线监测常用的测量方法及其不足，采用相对介损比较法进行设备绝缘状态的测量，有效地削弱了环境、谐波、PT角差等因素对介损测量的影响，提高绝缘状态诊断结果的可信度。

(2)介绍了本系统介损在线监测的实际方案及其系统总体结构框图。

(3)采用GPS高精度授时秒脉冲信号实现各监测终端的异步同步触发，其同步误差最低小于2ns，大大提高了测量精度的数量级。

(4)采用GPRS无线传输的方式实现各个监测终端与服务器之间的数据通信和控制，克服了变电站高压环境下的电磁干扰问题，保证数据传输的可靠性和实时性。

(5)采用高精度有源零磁通穿心电流传感器进行信号采集，其相位变换误差 ，较好地解决了介损测量精度及其稳定性问题。

(6)介绍了FPGA内部结构中测频逻辑模块的测频原理和方法，同时介绍了A/D采样逻辑控制模块、硬件看门狗喂狗模块、按键消抖模块等的相关设计。

2、展望：

实际中由于些许客观因素的影响，本文对电容性设备在线监测及故障诊断的研究中还存在一些不足，在以后的后续研究工作中还很有必要对一下问题进行针对性的深入研究：

(1) 确定一种相对较好地改进谐波分析法计算介损值，使得窗谱的旁瓣能量更小，造成的泄漏减少，同时在硬件上改进采样频率自跟踪工频频率的方案，尽量增加采样点及测频精确度。

(2) 需要进一步研究在线监测数据的预处理方法，应考虑针对不同的噪声类型自动应用相应的软件处理方法予以滤除。

(3) 绝缘老化的机理研究，尤其是在复杂的现场条件下，各种因素对绝缘老化的影响规律。

(4) 寻找各种不同绝缘状态的电容型设备进行广泛试验，建立较为完备的电容型设备绝缘监测数据库，以获得较为全面的故障集和征兆集，从而利于一些先进的数学工具建立完善的故障诊断模型。

(5) 监测结果应有较好的可靠性和重复性，以及合理的准确度。